KR20190122140A

KR20190122140A - 리튬 이온 배터리 셀용 셀 와인딩, 리튬 이온 배터리 셀, 에너지 저장 장치

Info

Publication number: KR20190122140A
Application number: KR1020190034181A
Authority: KR
Inventors: 페테르 기레
Original assignee: 폭스바겐 악티엔 게젤샤프트
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: DE102018205952A1; KR102329020B1; CN110391466A; CN110391466B

Abstract

본 발명은 전극 스트립(4, 5)으로서 애노드 스트립과 캐소드 스트립 및 상기 전극 스트립들(4, 5) 사이에 배치된 분리막 스트립(8)을 포함하는 리튬 이온 배터리 셀(1)용 셀 와인딩에 관한 것으로, 이 경우 전극 스트립들(4, 5)의 종방향 연장부는 서로 수직으로 정렬되어 교대로 서로 접혀지고, 분리막 스트립(8)은 전극 스트립들(4, 5) 중 하나와 함께 안내되고, 전극 스트립들(4, 5)의 포개어져 있는 전극 섹션들(10, 11) 사이에 각각 배치된 복수의 분리막 섹션(18)을 포함하고, 상기 분리막 섹션들은 폴딩 섹션(17)에 의해 서로 연결된다. 분리막 스트립(8)의 연속하는 분리막 섹션들(18)은 각각의 그것의 종방향 측면에서 교대로 보호 섹션(14)이 적어도 다른 전극 스트립(4, 5)의 각각의 전극 섹션(10, 11)을 넘어 돌출하는 것이 제공된다.

Description

리튬 이온 배터리 셀용 셀 와인딩, 리튬 이온 배터리 셀, 에너지 저장 장치{CELL WINDING FOR A LITHIUM-ION BATTERY CELL, LITHIUM-ION BATTERY CELL, ENERGY STORAGE}

본 발명은 전극 스트립으로서 애노드 스트립과 캐소드 스트립 및 전극 스트립들 사이에 배치된 분리막 스트립을 포함하는 리튬 이온 배터리 셀용 셀 와인딩에 관한 것으로, 이 경우 전극 스트립들의 종방향 연장부는 서로 수직으로 정렬되어 교대로 서로 접혀지고, 분리막 스트립은 상기 전극 스트립들 중 하나와 함께 안내되고, 전극 스트립들의 포개어져 있는 전극 섹션들 사이에 각각 배치된 복수의 분리막 섹션을 포함하고, 상기 분리막 섹션들은 변형 가능한 폴딩 섹션에 의해 서로 연결된다.

또한, 본 발명은 특히 트랙션 배터리로서 형성된 자동차의 에너지 저장 장치용 리튬 이온 배터리 셀에 관한 것으로, 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에 적어도 하나의 전술한 셀 와인딩이 배치되어 전기 접촉될 수 있다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 이러한 배터리 셀을 포함하는 에너지 저장 장치 및 리튬 이온 배터리 셀을 위한 전술한 셀 와인딩을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

선행기술에 전술한 방식의 셀 와인딩이 공개되어 있다. 즉, 특히 공개 공보 US 5,618,318 A호는 2개의 전극 스트립을 가진 배터리 셀용 셀 와인딩을 공개하고, 상기 전극 스트립의 종방향 연장부는 서로 수직으로 포개어지고 교대로 서로 접혀서, 전극 스트립들의 포개어져 있는 전극 섹션들을 갖는 셀 스택이 형성된다. 전극 스트립 또는 전극 섹션들의 서로 직접적인 전기 접촉을 방지하기 위해, 분리막 스트립이 제공되고, 상기 분리막 스트립은 전극 스트립들 중 하나와 함께 와인딩되어, 포개어져 있는 각각 2개의 전극 섹션 사이에 분리막 스트립의 각각의 분리막 섹션이 배치된다. 특히 분리막 스트립은 함께 안내되는 전극 스트립만을 보호한다.

US 9,548,496 B2호에 다른 셀 와인딩이 공개되어 있고, 상기 셀 와인딩에서 전극 스트립들의 복수의 전극 섹션은 분리막 섹션에 의해 서로 분리된다. 공개 공보 EP 2 135 310 B1호도 서로 접혀져 있는 전극 스트립을 가진 셀 와인딩을 기술하고, 이 경우에 전극 스트립들의 종방향 연장부는 서로 수직이 아니라, 서로 평행하게 형성되며, 상기 전극 스트립들은 각각 S자 형상으로 와인딩된다.

본 발명의 과제는, 곡률 반경이 좁은 경우에도 손상 및 특히 단락으로부터 높은 보호를 제공하는 개선된 셀 와인딩을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 포함하는 셀 와인딩에 의해 해결된다. 이러한 셀 와인딩은, 전극 스트립이 가장 취약한 지점에서, 예컨대 전극 섹션들을 서로 연결하는 벤딩 섹션의 영역에서 보호되는 장점을 갖는다. 전극 스트립이 서로 접혀짐으로써, 외측 벤딩 섹션은 조립 또는 제조 중에 쉽게 손상될 수 있고 변형으로 인해 서로 전기적으로 접촉할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 조립 및/또는 유지 관리 시 지금까지 상당한 주의를 요한다. 본 발명에 따른 셀 와인딩에 의해 전극 스트립의 외측 영역들은 분리막 스트립에 의해 추가로 보호된다. 본 발명에 따라 이는, 연속하는 분리막 섹션들, 즉 분리막 스트립의 종방향 연장부에서 연속하는 분리막 섹션들이 각각의 그것의 종방향 측면에서 교대로 보호 섹션이 적어도 다른 전극 스트립의 각각의 전극 섹션을 넘어 돌출함으로써 달성된다. 평면도에서 볼 때 분리막 스트립은 다른 전극 스트립의 벤딩 섹션을 측면에서 커버하여, 포개어져 있는 벤딩 섹션들이 분리막 스트립에 의해 확실하게 서로 분리되는 것이, 보호 섹션에 의해 달성된다. 이로 인해 추후의, 즉 조립 후에 이루어지는 힘 작용 시에도 다른 전극 스트립의 개별 섹션들 사이 및 다른 전극 스트립과 하나의 전극 스트립 사이의 전기 접촉이 확실하게 저지된다. 각각의 보호 섹션은 이를 위해 적어도 다른 전극 스트립의 각각의 전극 섹션을 넘어 연장되어, 벤딩 섹션의 영역에 도달한다. 보호 섹션은 분리막 섹션들을 따라 종방향 측면에 교대로 형성됨으로써, 상기 보호 섹션은 한 번은 분리막 스트립의 하나의 종방향 측면에서 그리고 한 번은 다른 종방향 측면에서 연장된다. 이로 인해 다른 전극 스트립의 벤딩 섹션들은 셀 와인딩의 양측면에서 확실히 보호된다.

특히 보호 섹션들은 다른 전극 스트립을 넘어 돌출하므로, 셀 스택으로부터 돌출하는 다른 전극 스트립의 전체 섹션이 보호 섹션들에 의해 확실하게 보호된다. 특히 각각의 보호 섹션이 적어도 다른 전극 스트립의 벤딩 섹션에 걸쳐 연장되어, 인접한 벤딩 섹션들은 분리막 섹션에 의해 확실하게 서로 분리된다.

본 발명의 바람직한 개선예에 따라 각각의 보호 섹션은 분리막 섹션에 연결되는 분리막 스트립의 각각의 폴딩 섹션 내로 부분적으로 연장된다. 이로 인해 보호 섹션에 의한 추가 보호 작용이 달성되고, 상기 보호 섹션은 측면 절연에 의해 전기적 보호를 개선하고, 기계적으로 또한 인접한 전극 스트립 섹션들과 벤딩 섹션들 사이에 입자의 축적을 어렵게 한다.

바람직한 실시예에 따라 분리막 스트립은 가요성 분리막 포일로서 형성된다. 분리막 포일은 예를 들어 하나의 전극 스트립의 측면에 도포되고, 특히 접착되므로, 상기 분리막 포일은 이러한 전극 스트립과 함께 접혀지고 이로써 전술한 셀 와인딩이 제조 가능하고/제조된다.

대안 실시예에 따라 바람직하게, 분리막 스트립은 가요성 분리막 튜브로서 형성되는 것이 제공되고, 상기 분리막 튜브는 횡단면에서 볼 때 하나의 전극 스트립을 둘러싼다. 따라서 분리막 스트립 또는 분리막 튜브는 하나의 전극 스트립을 둘레 측에서 완전히 둘러싸므로, 하나의 전극 스트립은 모든 측면에서 전기적으로 절연된 상태이다. 추가 보호 섹션들은 분리막 튜브의 가장자리 영역에 의해 형성된다. 특히 분리막 튜브는 확장된 가장자리 영역에 의해 형성되고, 펀칭 공정에 의해 각각의 측면 가장자리 내에 노치 또는 측면 리세스가 도입되고, 상기 리세스에 의해 리세스 사이에 있는 보호 섹션들이 형성되며, 상기 보호 섹션들은 하나의 전극 스트립을 넘어서 측면으로 돌출하므로, 전술한 바와 같이, 셀 와인딩에서 상기 보호 섹션들은 다른 전극 스트립의 전극 섹션들을 지나 측면으로 돌출한다.

바람직하게는 전극 스트립들 중 적어도 하나는 캐리어 스트립을 포함하고, 상기 캐리어 스트립은 전극 섹션들을 형성하는 전극 코팅을 갖는다. 이로 인해 더 저렴하고 제조 시 간단하게 형성 가능한 전극 스트립이 제공된다. 바람직하게 이에 따라 2개의 전극 스트립이 형성된다. 전극 코팅이 섹션 별로 도포됨으써 특히 서로 분리된 전극 섹션들이 구현될 수 있다. 제 1 실시예에 따라 전극 스트립은 연속하는 전극 코팅을 갖고, 전극 섹션들은 폴딩 공정에 의해 규정되는 한편, 다른 실시예에 따라 전극 스트립들은 서로 분리된 전극 섹션들을 갖는 것이 제공된다. 이는 서로 이격되어 형성된 전극 코팅 섹션들에 의해 구현될 수 있다.

특히 바람직하게 적어도 하나의 전극 스트립의 전극 섹션들 및 선택적으로 다른 전극 스트립도 캐리어 스트립의 코팅 없는 벤딩 영역에 의해 서로 분리된다. 특히 코팅은 이를 위해 추후에 섹션 별로, 캐리어 스트립으로부터, 예를 들어 레이저 가공에 의해 제거된다. 이로 인해 전극 스트립 상의 서로 분리된 전극 섹션들의 특히 시간을 절약하며 비용이 절감되는 제조가 보장된다. 캐리어 스트립의 벤딩 영역은 코팅을 포함하지 않음으로써, 벤딩 영역에서 캐리어 스트립의 가요성은 더 높고, 따라서 감소된 힘으로 폴딩 공정이 이루어진다. 또한 이로 인해, 전극 재료를 캐리어 재료와 분리하지 않고, 전해질의 오염 또는 단락을 야기하지 않을 수 있는 장점이 얻어진다.

청구항 제 8 항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 배터리 셀은, 적어도 하나의 셀 와인딩이 본 발명에 따라 형성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해 전술한 장점들이 얻어진다.

청구항 제 9 항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 적어도 하나의 본 발명에 따른 배터리 셀을 특징으로 한다. 이로 인해서도 전술한 장점들이 얻어진다.

청구항 제 10 항의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 방법은, 전극 스트립의 폴딩 이전에 분리막 스트립의 연속하는 분리막 섹션들의 각각의 종방향 측면에 교대로 보호 섹션이 제공되고, 상기 보호 섹션은 폴딩 과정 후에 다른 전극 스트립의 각각의 전극 섹션을 넘어서 측면으로 돌출하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해 전술한 장점들이 얻어진다.

다른 장점들, 바람직한 특징들 및 특징들의 조합은 특히 전술한 기재에는 물론 청구항들에 제시된다. 이하에서 본 발명은 도면을 참고로 설명된다.

도 1은 선행기술에 따른 셀 와인딩을 도시한 사시도.
도 2는 바람직한 셀 와인딩을 확대 도시한 사시도.
도 3은 셀 와인딩의 분리막 스트립을 도시한 평면도.

도 1은 셀 와인딩(2)을 포함하는 배터리 셀(1)을 간단한 사시도에 도시한다. 배터리 셀(1)은 하우징(3)을 포함하고, 상기 하우징 내에 셀 와인딩(2)이 배치되어 고정된다. 셀 와인딩(2)은 제 1 전극 스트립(4)과 제 2 전극 스트립(5)을 갖고, 이 경우 전극 스트립들(4, 5) 중 하나는 애노드 스트립으로서 형성되고, 다른 하나는 캐소드 스트립으로서 형성된다. 전극 스트립들(4, 5)은 셀 스택(2)을 형성하기 위해 서로 접혀진다. 이를 위해 전극 스트립(4, 5)의 자유 단부들은, 전극 스트립(4 5)이 그것의 종방향 연장부에서 볼 때, 서로 수직으로 향하도록 포개어진다. 후속해서 전극 스트립들은 교대로 서로 접혀져서, 도 1에 도시된 셀 와인딩(2)이 형성된다. 셀 와인딩(2)은 그리고 나서 배터리 셀(1)의 하우징(3) 내에 배치되어 전기 접촉된다. 이를 위해 셀 와인딩(2)은 도전성 접속 콘택(6, 7)을 갖고, 상기 접속 콘택들은 예를 들어 각각의 전극 스트립(4, 5)의 버스바에 전기 접속된다. 그러한 점에서 도시된 셀 와인딩(2)은 선행기술의 종래의 셀 와인딩에 상응한다. 전극 스트립들(4, 5) 사이에 전기 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해, 전극 스트립(4)에 전기 절연 분리막 스트립(8)이 할당되고, 상기 분리막 스트립은 전극 스트립(4)을 따라 연장된다. 이러한 실시예에 따라 분리막 스트립(8)은 분리막 튜브(9)에 의해 형성되고, 상기 분리막 튜브는 횡단면에서 볼 때, 전극 스트립(4)을 완전히 둘러싸므로, 전극 스트립(4)은 전극 스트립(5)에 대해 완전히 전기 절연된 상태이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 분리막 튜브(9)는 이를 위해 관통 개구(19)를 갖고, 상기 개구 내에서 전극 스트립(4)이 연장된다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전극 스트립들(4, 5)은 포개어져 있는 편평한 전극 섹션(10 또는 11) 및 전극 섹션들(10, 11)을 서로 연결하는 벤딩 섹션(12 또는 13)으로 세분된다. 전극 스트립들(4, 5)은 각각 벤딩 섹션(12, 13)을 따라 서로 접혀져서, 전극 섹션들은 포개어져 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 벤딩 섹션들(12, 13)은 셀 와인딩(2)의 가장자리 영역에 놓이고, 각각 다른 전극 스트립(5, 4)으로부터 돌출한다. 이로 인해 상기 벤딩 섹션들은 셀 와인딩(2)에서 상대적으로 보호되지 않으므로, 조립은 따라서 주의하여 수행되어야 한다.

도 2는 셀 와인딩(2), 특히 전극 스트립(4, 5)의 셀 와인딩(2)의 추가 보호를 제공하는 셀 와인딩(2)의 바람직한 개선예를 도시하고, 이 경우 추가 보호는 간단하고 저렴하게 구현될 수 있다.

본 경우에 이를 위해 분리막 스트립(8) 또는 분리막 튜브(9)는 복수의 보호 섹션(14)을 갖고, 상기 보호 섹션들은 분리막 스트립(8)으로부터 측면으로 돌출한다.

도 3은 폴딩 과정 이전 상태인, 펼쳐진 분리막 스트립(8)을 평면도에 도시한다.

도 3에서 또한 분리막 튜브(9) 내의 전극 스트립(4)은 점선으로 도시된다. 전술한 바와 같이, 전극 스트립(4)은 전극 섹션(10)을 갖고, 상기 전극 섹션들은 사이에 있는 벤딩 섹션들(13)에 의해 서로 분리된다. 이 경우 전극 스트립(4)은 또한 전극 코팅(15)을 포함하고, 상기 코팅은 전극 스트립(4)의 캐리어 스트립(16)에 걸쳐 연장된다. 벤딩 섹션(13)의 영역에서 코팅(15)은 중단되어, 각각의 벤딩 섹션(13)에서 캐리어 스트립(16)의 가요성이 이용 가능해지고 전극 코팅(15)으로 인해 감소하지 않는다. 이로써 전극 스트립(4)의 간단한 폴딩이 보장된다.

벤딩 섹션(13)과 관련해서 분리막 스트립(8)은 폴딩 섹션(17)을 갖고, 전극 스트립(4)의 폴딩 시 상기 폴딩 섹션을 따라 분리막 스트립(8)이 함께 접혀진다. 이로써 분리막 스트립(8)은 폴딩 섹션(17)과 분리막 섹션(18)으로 세분되고, 이 경우 셀 와인딩(2) 내의 분리막 섹션들은 각각 전극 스트립(4, 5)의 포개어져 있는 2개의 전극 섹션 사이에 놓여서, 상기 전극 스트립들은 전기적으로 서로 절연될 수 있다.

보호 섹션들(14)은 종방향 연장부를 따라 연속하는 분리막 섹션들(18)의 방향으로 교대로 한 번은 분리막 스트립(8)의 하나의 종방향 측면에 그리고 한 번은 다른 종방향 측면에 형성된다.

결과적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전극 스트립(5)의 각각의 벤딩 섹션(12)은 인접한 벤딩 섹션(12)에 대해 보호 섹션(14)으로부터 분리되어, 벤딩 섹션들(13)의 접촉이 저지된다. 보호 섹션들(14)은 또한 각각의 분리막 섹션(18)을 넘어서 부분적으로 각각의 벤딩 섹션(17) 내로, 특히 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 벤딩 섹션(17)의 중앙선을 넘어서 연장되기 때문에, 벤딩 섹션(12)의 영역에서 입자의 축적이 더 감소하는 것이 달성된다. 특히 입자는 보호 섹션(14)의 특수한 형상에 의해 가둬진다.

이러한 실시예에 따라 분리막 스트립(8)은 분리막 튜브(9)에 의해 형성되는 한편, 다른 실시예에 따라 분리막 스트립(8)은 분리막 포일로서 형성되고, 상기 분리막 포일은 전극 스트립(4)의 한 측면에 도포되고, 특히 접착된다.

1 배터리 셀
2 셀 와인딩/셀 스택
3 하우징
4 전극 스트립
5 전극 스트립
6 접속 콘택
7 접속 콘택
8 분리막 스트립
9 분리막 튜브
10 전극 섹션
11 전극 섹션
12 벤딩 섹션
13 벤딩 섹션
14 보호 섹션
15 전극 코팅
16 캐리어 스트립
17 벤딩 섹션/폴딩 섹션
18 분리막 섹션
19 개구

Claims

리튬 이온 배터리 셀(1)용 셀 와인딩으로서, 전극 스트립(4, 5)으로서 애노드 스트립과 캐소드 스트립 및 상기 전극 스트립들(4, 5) 사이에 배치된 분리막 스트립(8)을 포함하고, 상기 전극 스트립들(4, 5)의 종방향 연장부는 서로 수직으로 정렬되어 교대로 서로 접혀지고, 상기 분리막 스트립(8)은 전극 스트립들(4, 5) 중 하나와 함께 안내되고, 상기 전극 스트립들(4, 5)의 포개어져 있는 전극 섹션들(10, 11) 사이에 각각 배치된 복수의 분리막 섹션(18)을 포함하고, 상기 분리막 섹션들은 폴딩 섹션(17)에 의해 서로 연결되는 셀 와인딩에 있어서,
상기 분리막 스트립(8)의 연속하는 분리막 섹션들(18)은 각각의 그것의 종방향 측면에서 교대로 보호 섹션(14)이 적어도 다른 전극 스트립(4, 5)의 각각의 전극 섹션(10, 11)을 넘어 돌출하는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 1 항에 있어서, 상기 보호 섹션들(14)은 다른 전극 스트립(4, 5)을 넘어 돌출하는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 보호 섹션(14)은 상기 분리막 섹션(18)에 연결되는 폴딩 섹션(17) 내로 부분적으로 연장되는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분리막 스트립(8)은 가요성 분리막 포일로서 형성되는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분리막 스트립(8)은 가요성 분리막 튜브(9)로서 형성되고, 상기 분리막 튜브는 횡단면에서 볼 때 하나의 전극 스트립(4, 5)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 전극 스트립들(4, 5) 중 적어도 하나는 캐리어 스트립(16)을 포함하고, 상기 캐리어 스트립은 상기 전극 섹션들(10, 11)을 형성하는 전극 코팅(15)을 갖는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
제 6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극 스트립(4, 5)의 전극 섹션들(10, 11)은 상기 캐리어 스트립(16)의 코팅 없는 벤딩 섹션들(12, 13)에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 셀 와인딩.
자동차의 에너지 저장 장치용 리튬 이온 배터리 셀(1)로서, 하우징(3)을 포함하고, 상기 하우징 내에 적어도 하나의 셀 와인딩(2)이 배치되어 전기 접촉될 수 있는 리튬 이온 배터리 셀에 있어서,
상기 적어도 하나의 셀 와인딩(2)은 제 1 항 또는 제 2 항에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 이온 배터리 셀.
제 8 항에 따른 적어도 하나의 리튬 이온 배터리 셀(1)을 포함하는 자동차용 에너지 저장 장치.
전극 스트립(4, 5)으로서 애노드 스트립과 캐소드 스트립 및 상기 전극 스트립들(4, 5) 중 하나와 함께 안내되는 분리막 스트립(8)을 포함하고, 상기 전극 스트립들은 서로 수직으로 정렬되어 교대로 서로 접혀져서, 상기 분리막 스트립(8)은 상기 전극 스트립들(4, 5)의 포개어져 있는 각각의 전극 섹션들(10, 11) 사이에 각각 배치된 복수의 분리막 섹션(18)을 형성하고, 상기 분리막 섹션들은 폴딩 섹션(17)에 의해 서로 연결되는, 리튬 이온 배터리 셀(1)을 위한 셀 와인딩(2)을 제조하기 위한 방법으로서,
상기 분리막 스트립(8)의 연속하는 상기 분리막 섹션들(18)의 각각의 종방향 측면에 교대로 적어도 각각의 전극 섹션(10, 11)을 넘어 돌출하는 보호 섹션(14)이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.